[發(fā)明專利]一種雙功能電催化劑的制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110658291.3
• 申請(qǐng)日: 2021-06-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113394412A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-09-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉瑞平;湯文皞;滕柯瑋
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）
• 主分類號(hào): H01M4/90
• 分類號(hào): H01M4/90;H01M4/88;H01M4/86
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)明提供一種雙功能電催化劑的制備方法。通過(guò)將FeCl₃·9H₂O，CoCl₂·6H₂O和NiCl₂·6H₂O與黑色聚吡咯粉末混合，冷凍干燥后在800℃退火得到雙功能電催化劑。該方法制備得到的催化劑用于OER/ORR反應(yīng)中，催化性能優(yōu)異，且制備工藝簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備和工藝條件的要求低，有利于推廣應(yīng)用。本發(fā)明作為空氣正極應(yīng)用于鋅空氣電池中，具有優(yōu)異的充放電性能和循環(huán)穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種可充電鋅空氣電池，應(yīng)用于電化學(xué)儲(chǔ)能裝置技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和物質(zhì)生活的改善，地球上傳統(tǒng)的化石能源儲(chǔ)備已無(wú)法滿足人類未來(lái)社會(huì)發(fā)展的需要，化石能源的大規(guī)模利用將帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題和溫室效應(yīng)。因此，能源的可持續(xù)性已迅速成為現(xiàn)代社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。為了保證能源使用的連續(xù)性和可持續(xù)性，儲(chǔ)能技術(shù)因此變得越來(lái)越重要。目前，在儲(chǔ)能領(lǐng)域中常用的電池包括鉛酸電池，鎳-基電池，鋰-基電池，液流電池，鈉硫電池等，其中鋰離子電池具有最大的商用規(guī)模。然而，能量密度不足(實(shí)際值為150-250Wh kg^-1)和高昂的成本限制了鋰離子電池的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。可充電金屬空氣電池(MAB)已成為一種有前途的儲(chǔ)能系統(tǒng)，具有相對(duì)較高的理論能量密度(1350Wh kg^-1)，出色的安全性和環(huán)境友好性，因此受到了廣泛的關(guān)注，被認(rèn)為是未來(lái)的電動(dòng)汽車和便攜式電子設(shè)備的最終解決方案。按金屬陽(yáng)極分類，金屬空氣電池可分為幾種不同的類型。其中，鋰空氣電池和鋅空氣電池是最有前途的。一方面，高活性金屬鋰，高成本和易燃的有機(jī)電解質(zhì)均阻礙了鋰空氣電池的商業(yè)應(yīng)用。另一方面，鋅在水溶液中具有良好的穩(wěn)定性，并且是具有最高比容量和從水電解質(zhì)中電沉積最具活性的金屬。因此，可充電鋅空氣電池是一種有前途的儲(chǔ)能和生產(chǎn)技術(shù)。另外，其發(fā)展的關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)成本低，活性好，穩(wěn)定性強(qiáng)以及制備工藝簡(jiǎn)單的ORR/OER雙功能電催化劑。令人遺憾的是，ORR 和OER反應(yīng)的慢動(dòng)力學(xué)和過(guò)高的反應(yīng)勢(shì)壘導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)速率和能量轉(zhuǎn)化效率的下降，嚴(yán)重阻礙了清潔能源轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)展。為此，研究人員已經(jīng)對(duì)貴金屬基催化劑(例如Pt，Ru和Ir)進(jìn)行了廣泛的研究，因?yàn)樗鼈兛梢源蟠筇岣逴RR/OER的反應(yīng)速率。但是，這些貴金屬基催化劑的高成本和單一選擇性限制了它們?cè)陔姶呋械膽?yīng)用。

與貴金屬相比，過(guò)渡金屬在地球上相對(duì)便宜且豐富。近年來(lái)，過(guò)渡金屬基材料如Mn、Co、Ni和Fe 都表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性，在OER和ORR中取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。過(guò)渡金屬基催化劑具有許多不同的晶體結(jié)構(gòu)和活性缺陷位點(diǎn)，這得益于過(guò)渡金屬的可變價(jià)態(tài)。另外，大量的工作集中在碳材料上，包括許多修飾策略，例如雜原子摻雜，過(guò)渡金屬摻雜和缺陷引入，這些已被證明是提高電催化效率的有效方法。研究表明，氮摻雜可以提高材料的電導(dǎo)率和催化活性，摻雜的碳材料具有比表面積大，孔多的優(yōu)點(diǎn)，有利于暴露更多的催化活性位，有利于提高材料的離子和電子的轉(zhuǎn)移效率。因此，基于碳的過(guò)渡金屬?gòu)?fù)合材料由于具有低成本，高催化活性和良好穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)而在電催化領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種雙功能電催化劑的制備方法。本發(fā)明用于OER/ORR反應(yīng)中，催化性能優(yōu)異，且制備工藝簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備和工藝條件的要求低，有利于推廣應(yīng)用。本發(fā)明作為空氣正極應(yīng)用于鋅空氣電池中，具有優(yōu)異的充放電性能和循環(huán)穩(wěn)定性。

一種雙功能電催化劑的制備方法：其特征在于制備步驟如下：

(1)將甲基橙溶解在超純水中，形成澄清的橙色溶液，然后將FeCl₃放入溶液中并攪拌30分鐘，產(chǎn)生絮凝沉淀，F(xiàn)eCl₃與甲基橙的質(zhì)量比為1:4～1:5；

(2)用磁力攪拌器水浴恒溫25℃攪拌，隨即加入吡咯單體攪拌并用封口膜密封，20-30小時(shí)后分離出黑色產(chǎn)物，分別用熱去離子水和乙醇交替抽濾，直至濾液無(wú)色澄清，最后，在真空干燥箱中于,60-100℃干燥8-12小時(shí)后收集黑色粉末，其中吡咯單體于FeCl₃的質(zhì)量比為1:1.8-2.2；